Horreur du vide L'

Par Lamouline Roger

Qui peut dire le poids de l'air ? Et même, qui en connaît l'existence ? À l'évidence, on ignore superbement celle-ci, même si l'on a bien entendu parler à l'occasion - à l'école ! - de la « pression atmosphérique ». Aujourd'hui - dérèglement climatique oblige - les gaz à effet de serre ont la vedette et finissent par cacher l'atmosphère ! En réalité, l'humanité a toujours ignoré le fait essentiel que l'air exerce un poids considérable sur tout et il a fallu attendre le XVIIe siècle pour que l'existence de cette pression soit démontrée, puis prouvée de façon irréfutable. Mais les opposants au poids de l'atmosphère s'acharnèrent, et cet ouvrage retrace l'histoire d'une lutte difficile entre idées reçues et science expérimentale. Un ouvrage clair, accessible à tout lecteur curieux de comprendre un phénomène fondamental, largement traité dans les manuels de physique « élémentaire »... d'autrefois.

• Langue: Français
• Éditeur: Le Sureau
• Date de sortie: 3 mai 2013
• ISBN: 9782364020931

Aperçu du livre

l’atmosphère

Introduction

« Jusqu’au siècle passé, les hommes, chargés, comprimés par l’Atmosphère, ne reconnaissaient point son action : en vain toute la nature déposait que l’air était élastique et pesant ; ils fermaient les yeux à son témoignage. »

Jean-André Deluc¹

Pour les anciens Grecs, Zeus avait condamné le géant Atlas à porter éternellement la sphère céleste sur les épaules car ils pensaient que cette sphère était solide, donc pesante. Aujourd’hui, nous avons compris que cette sphère est un vide immense, mais la charge d’Atlas n’est pas allégée pour autant, car on a découvert il y a trois siècles qu’il porte, comme chacun de nous, l’énorme poids de la sphère de l’air, que nous nommons, en grec, « atmosphère ».

En fait, l’humanité a toujours ignoré le poids de l’air. Ce n’est d’ailleurs qu’entre 1640 et 1660 que son existence fut démontrée en Italie, puis prouvée de façon irréfutable en France, en Allemagne et en Angleterre. C’est cette histoire d’une lutte entre les idées reçues et le désir de savoir par l’expérience que nous désirons évoquer dans cet ouvrage.

Il serait aisé de démontrer que de nos jours, l’immense majorité de la population mondiale ignore toujours l’existence du poids de l’air. Les personnes cultivées en ont certes entendu parler sous le vocable « pression atmosphérique », mais cela ne va généralement pas beaucoup plus loin, même si chacun de nous est conscient que nous ne pouvons survivre sans respirer et qu’une tornade a des effets ravageurs. Incidemment, le matraquage médiatique que nous subissons à propos des méchants gaz à effet de serre, qui ne représentent qu’une fraction infime de l’air, risque de détourner notre attention de l’essentiel, c’est-à-dire de l’atmosphère elle-même.

Le lecteur se rendra vite compte que le sujet de cet ouvrage fait partie des dommages collatéraux des nouvelles pédagogies dites « modernes », qui ont entraîné la mise à l’index des manuels de physique.

Mentionnons aussi que l’expérience cruciale qui permet de déceler l’existence de la pression atmosphérique, et même de la mesurer, est interdite dans l’enseignement secondaire car les zélotes de l’environnement ont banni l’usage du mercure, liquide pourtant incontournable.

Savoir que nous subissons une pression considérable due au poids de l’atmosphère ne va pas de soi. Autrefois, ses aspects spectaculaires étaient attribués à « l’horreur du vide », notion venant du philosophe grec Aristote et reprise par l’Église catholique romaine. La contestation de cette idée reçue, qui expliquait, il faut bien le reconnaître, de nombreux phénomènes, ne se fit qu’au milieu du XVIIe siècle. L’existence de la pression atmosphérique étant admise, on se mit en tête de la mesurer avec précision, d’où l’émergence de cet instrument populaire irremplaçable qu’est le baromètre, et de sa version mobile, incontournable en aviation, l’altimètre.

Les Anglais ont connu trois révolutions. Lors de la première, ils coupèrent la tête de leur roi. Lors de la deuxième, – « the Glorious Revolution » –, ils se donnèrent des souverains qui acceptaient de se soumettre à leurs lois. La troisième nous concerne plus directement car il s’agit de la révolution industrielle. Cette dernière démarra vers 1712 par la mise au point d’une machine utilisant la pression atmosphérique comme force motrice, le vide nécessaire étant obtenu par la condensation de la vapeur d’eau. Le développement de la machine à vapeur sous pression en a découlé, entraînant la naissance de notre civilisation industrielle.

Se soutenir en l’air en utilisant les propriétés de l’air lui-même est un vieux rêve. On commença par se servir de ballons qu’on emplissait d’un gaz plus léger que l’air ambiant (air chaud, hydrogène, hélium) ; la faible portance de ces engins les a malheureusement relégués à des rôles subalternes. Une tout autre approche fut d’abaisser la pression atmosphérique au-dessus d’une aile soigneusement profilée, et cela grâce à son déplacement rapide dans l’air. La force portante obtenue par ce vide tout relatif étant heureusement proportionnelle au carré de la vitesse, l’avion put naître et se développer dès que des moteurs légers furent inventés.

La découverte de l’existence de l’atmosphère, son étude et son utilisation comme source d’énergie furent une véritable collaboration européenne avant la lettre. Il suffit de citer les principaux personnages de cette passionnante aventure : les Italiens Berti et Torricelli, les Français Pascal et Papin, l’Allemand Otto von Guericke, le Zélandais Beeckmann, le Suisse Deluc, l’Irlandais Boyle, les Anglais Savery et Newcomen, l’Écossais Watt et d’autres plus obscurs. C’est d’ailleurs pour mieux faire sentir le caractère européen de cette recherche que nous avons laissé de nombreux fragments de citations dans leur langue originale (latin, flamand, italien, anglais).

Nous convions donc le lecteur à suivre de très près la démarche de ces chercheurs qui, non sans difficulté, nous ont permis de découvrir et d’utiliser au mieux cette pression atmosphérique qui nous écrase sans que nous en soyons conscients, ainsi que du vide dans lequel nous ne pouvons vivre.

1. Toutes les citations de Jean-André Deluc sont tirées de son ouvrage Recherches sur les modifications de l’atmosphère, Paris, La Veuve Duchesne, 1784.

1. La nature a horreur du vide !

(Natura abhorret a vacuo)

« Mon cher lecteur, le consentement universel des peuples et la foule des philosophes concourent à l’établissement de ce principe, que la nature souffrirait plutôt sa destruction propre, que le moindre espace vide.[…] Les expériences que je vous ai données […] que tous les effets qu’on a attribués à cette horreur procèdent de la pesanteur et pression de l’air, qu’elle en est la seule et véritable cause, et que manque de la connaître, on avait inventé exprès cette horreur imaginaire du vide, pour en rendre raison. »

Blaise Pascal, 1648

Le vide fut, dit-on, inventé par les philosophes grecs. En tout cas, deux d’entre eux sont bien connus pour avoir proposé à ce sujet des interprétations fort différentes. Pour Démocrite, le monde était constitué d’atomes se déplaçant dans le vide ; pour Aristote, la matière était constituée de quatre éléments – la terre, l’air, l’eau et le feu – en quantités variables. Le vide, autrement dit l’absence totale de ces éléments, n’entrait pas dans le cadre de sa théorie. En réalité, ce n’est pas la nature qui avait horreur du vide, mais seulement la théorie d’Aristote.

Son système, réputé à juste titre grandiose et bien structuré, fut au Moyen Âge soigneusement transmis par les lettrés musulmans et adopté par les universitaires européens. En ce temps-là, il n’était pas question d’expérimenter ou d’observer pour essayer de comprendre les phénomènes, mais seulement d’inventer un discours cohérent. Cela est d’ailleurs toujours le mode de pensée de beaucoup de nos contemporains.

Par des raisonnements dont ils ont le secret, les théologiens chrétiens reprirent, bien qu’en l’aménageant à leur manière, ce principe de l’horreur du vide, quoique Jésus-Christ ne s’en soit jamais beaucoup préoccupé. Pendant le XVIIe siècle, les jésuites le défendirent bec et ongles jusqu’à ce que les preuves accumulées de l’existence du vide les obligent à lâcher prise.

Nous proposons au lecteur de réunir quelques enfants pour essayer de leur montrer les effets apparemment évidents de l’horreur du vide, quitte à essayer ensuite de les convaincre que ces effets sont dus à la pression de l’air. Il faudra à cette fin se procurer un matériel fort bon marché, à savoir : un bassin en plastique, une bouteille, un verre, une pipette, une paille, une feuille de papier, une petite bougie et une cannette en aluminium vide.

Remplir le bassin d’eau froide.

La cannette qui s’écrase

Verser dans la cannette en aluminium un peu d’eau et la placer sur une source de chaleur quelconque.

Dès que l’eau a fini de bouillir, saisir la cannette (sans se brûler) et la renverser rapidement en l’enfonçant dans le bassin.

L’effet est spectaculaire. La cannette se recroqueville instantanément.

Cela est dû au fait que l’eau, en bouillant, a remplacé l’air contenu dans la cannette par de la vapeur. Cette dernière, en se condensant sous l’effet du froid, autrement dit en redevenant de l’eau, n’occupe plus qu’un volume ridiculement petit, ce qui correspond pratiquement à faire le vide d’air dans la cannette. Si les partisans d’Aristote avaient connu cette expérience, ils auraient prétendu que la boîte s’écrasait pour éviter que ce vide ne s’y installe.

Il en est de même lorsqu’on ne parvient pas à ouvrir un bocal dont le contenu a été stérilisé. Inutile d’insister : il faut percer un trou dans le couvercle ou parvenir à en tordre le bord pour faire entrer l’air. Ou bien jeter le bocal à la poubelle.

Comme nous le verrons, ces phénomènes, dus à la condensation de la vapeur d’eau, sont la base du fonctionnement des premières machines à vapeur, amorce de la révolution industrielle.

L’eau qui monte dans le verre

Pour mieux observer ce qui se passe, faisons un autre genre d’expérience.

Placer dans le bassin une bougie allumée, en prenant soin, évidemment, qu’elle dépasse le niveau de l’eau.

La recouvrir d’un verre renversé.

La bougie brûle encore un peu puis s’éteint. L’eau monte spontanément dans le verre jusqu’à un certain niveau. En fait, la bougie s’éteint dès que l’oxygène, qui représente 1/5 de l’air, est consommé. Il pourrait en résulter un vide, ce que la nature ne supporte pas ; elle préfère soulever l’eau dans le verre.

L’eau qui monte dans la « paille »

Lorsqu’on se sert d’un chalumeau pour aspirer un liquide, on essaye instinctivement de créer un vide dans ce dernier. La nature s’y oppose en y faisant monter le liquide.

L’eau qui reste dans la pipette

Le principe de la pipette est connu de tous les laborantins et les viticulteurs. Tant que le haut de la pipette reste bouché par le doigt, le liquide ne peut s’écouler car un vide pourrait s’y installer, ce qui est impossible, dixit Aristote. Dès que le doigt est relâché, l’air pénètre dans la pipette et le liquide s’écoule.

Il est vrai que la pipette a une ouverture bien étroite, mais on peut faire l’expérience d’une façon plus frappante. Il suffit de remplir à ras bord un verre d’eau et de le recouvrir d’une feuille de papier. En le retournant avec beaucoup de précaution, on constate que l’eau n’a nullement l’intention de quitter le verre malgré le poids qu’elle exerce manifestement sur la feuille de papier, toujours pour la même raison. Il paraît que l’expérience peut réussir en retirant la feuille de papier, nous n’avons pas réussi.

L’eau qui « colle » à la bouteille

Remplissons d’eau une bouteille, bouchons le goulot avec un doigt, puis retournons-la dans notre cuvette pleine d’eau. Retirons le doigt : l’eau demeure dans la bouteille.

Contrairement à sa tendance naturelle à s’écouler, l’eau ne quitte pas la bouteille de peur que le vide ne s’y installe, selon Aristote et les pères jésuites (il y a quatre siècles).

Cette expérience de la bouteille renversée, qui semble indigne des traités de physique sérieux, est pourtant la démonstration la plus simple de l’effet de la pression atmosphérique, car, comme nous le verrons, elle nous conduit tout droit au baromètre.

2. La pression de l’eau et de l’air selon Simon Stevin et Isaac Beeckmann

Il faut bien reconnaître l’existence d’un paradoxe : l’air est léger, chacun en convient, mais le poids de la couche d’air dans laquelle nous vivons, autrement dit l’atmosphère, est considérable. Puisqu’il fut, de tout temps, difficile de s’en convaincre, il n’existe qu’une solution, il faut commencer par raisonner sur